A radarok a mezoskálájú folyamatok, zivatarok, szupercellák követésének és tanulmányozásának elengedhetetlen távérzékelésu méroeszközei. Épp ezért arra vállalkozunk jelen írás keretében, hogy a nagyérdemut megismertessük a radarmérések fizikai hátterével, alapveto tudnivalóival, szélesköru alkalmazási területeivel, de szót ejtünk a mérések buktatóiról és korlátairól is. A két részesre tervezett írás elso részében az alapveto fogalmakat tisztázzuk, illetve részletesen elmagyarázzuk, mit és hogyan mér tulajdonképpen az idojárási radar. A hamarosan következo második részben a megjelenítési típusokról, a gyakori mérési problémákról illetve a radarok mezometeorológiában történo alkalmazásáról fogunk részletesen értekezni.

---

 

1. Mi az idojárási radar?

 

Az idojárási radar olyan berendezés, ami egy rögzített vagy mozgó felszíni pontból nagyenergiájú elektromágneses mikrohullámokat (centiméteres hullámhosszú) bocsát ki a légkör egy meghatározott tartományába, majd pedig megméri az onnan visszaverodött hullámok intenzitását. Radarokat elsoként a katonaságnál rendszeresítették az ellenséges objektumok (repülogépek, hajók) felderítésére, a  meteorológiában a 40-es évek végén alkalmazták eloször, azóta pedig légkörünk valós ideju feltérképezésének elengedhetetlen eszköze. Magyarországon az elso idojárási radar 1967-ben kezdte meg muködését Ferihegyen. Jelenleg három korszeru, amerikai gyártmányú radar üzemel hazánkban (Budapest - Pestlorinc, Nyíregyháza - Napkor illetve Pogányvár a Balatontól délnyugatra), amelyek mérései az egész országot lefedik. További egy orosz gyártású, MRL-5 típusú radart alkalmaz a NEFELA a jégesoelhárítás kiszolgálására (Hármashegy - Mecsek). 

 

 

2. Hogyan épül fel egy radarberendezés?

 

A radar alapveto egységeinek sematikus felépítését az alsó ábrán figyelhetjük meg. 
Mint ahogy említettük, a radar nagyenergiájú mikrohullámokat bocsát ki, és fogadja is a visszaérkezo jeleket. A kibocsátás meghatározott hosszúságú energiacsomagokban, ún. impulzusokban történik, amit az adó berendezés állít elo egy elektromágneses vákuumcso, az ún. magnetron segítségével.  Az impulzus hosszát és a kibocsátás gyakoriságát a modulátor szabályozza, tulajdonképpen ez a részegység kapcsolja ki és be az adó berendezést. Az impulzus a magnetronból a csotápvezeték mentén az antennához jut el, ami az impulzust kisugározza a tér egy meghatározott irányába. A visszaérkezo, gyenge elektromágneses impulzust - az antenna tányérja által egy pontba fókuszálva - a nagy érzékenységu vevo berendezés fogadja, ami ezt követoen felerosíti a jelet, majd pedig továbbítja a megjeleníto berendezések számára. További fontos egység a duplexer, ami kibocsátás ideje alatt kikapcsolja a vevo egységet, mivel azt az adó által kilott nagyenergiájú sugárzás azonnal tönkretenné. Mindezeket a muveleteket ma már mindenhol számítógép vezérli és hangolja össze. 

 

 

 

 

3. Mit mérnek az idojárási radarok és hogyan történik a mérés? 

 

3.1 A radarmérések általános technikai és fizikai jellemzoi

 

Az idojárási radarokat elsosorban csapadékmérésre használjuk, mivel a kisugárzott mikrohullám elsodlegesen a felhoben található csapadékelemekrol verodik vissza. A visszaverodött jel erosségébol következtethetünk a felhoben található csapadékelemek nagyságára és ezzel összefüggésben a csapadék intenzitására is. A kibocsátás és visszaérkezés közötti idokülönbségbol pedig a csapadékelemek távolsága határozható meg. Az ún. Doppler-féle radarok ezen felül képesek megmérni az adott térrész részecskéinek elmozdulását is, amibol következtethetünk a visszavero objektum (radarhoz képesti) sebességére. A polarizációs radarok két, egymásra meroleges - vízszintes és függoleges - síkban rezgo elektromágneses hullámot bocsátanak ki, ezzel lehetoség nyílik a "hagyományos" radarmérések javítására (lásd 3.5 pont). 
A leggyakrabban alkalmazott hullámhosszak a 10 cm (S-sáv), az 5 cm (C-sáv) illetve a 3,2 cm (X-sáv). A Magyarországon korábban használt, orosz típusú MRL-5-ös radarok S- illetve X-sávban is mértek, a jelenleg rendszeresített három amerikai gyártmányú, polarizációs Doppler-féle radar a C-sávban végez méréseket. 
Mint ahogy a radar felépítésénél már említettük, az antenna az elektromágneses hullámot egy meghatározott (jellemzoen néhány milliszekundomos, azaz nagyjából a másodperc ezredrészének megfelelo) hosszúságú impulzus formájában bocsátja ki egy keskeny nyalábba fókuszálva, ami egy, a radarból nyíló kúpban terjed. A nyaláb szélessége (azaz az a szög, ahol a nyalábban kisugárzott energia a maximális érték felére csökken) az antenna méreteitol és a hullámhossztól függoen 0.5 és 2 fok közé esik. Két impulzus kibocsátása közötti idoben a radar vevoként muködik, azaz fogadja az elozo impulzus visszavert részét. Ez az idotartam határozza meg a radar maximális hatótávolságát, mivel az onnan visszavert, fénysebességgel haladó sugárzás még éppen beérkezik a vevo berendezéshez, mielott a radar egy újabb impulzust bocsátana ki. Ezek alapján annál nagyobb a mérés hatótávolsága, minél hosszabb a két egymást követo kibocsátás közt eltelt ido, másképpen mondva minél kevesebb kibocsátás történik egy másodperc alatt, azaz minél kisebb az ún.impulzusismétlési frekvencia. A hazánkban alkalmazott hatósugarak 30 km, 120 km illetve 240 km. A mérés sugár irányú felbontását az impulzus hosszával tudjuk szabályozni: rövidebb impulzus esetén jobb, hosszabb impulzus esetén rosszabb a felbontás. Az érinto irányú felbontást a nyalábszélesség befolyásolja: minél kisebb a nyalábszélesség, annál részletesebb a mérés. A felbontás egyébként értheto okokból sugárnyaláb szélesedése miatt a radartól távolodva egyre romlik, 100 km-es távolságban már nem jobb 1,5-2,0 km-nél.

 

 

3.2 A reflektivitás mérése

 

1) A radarhoz visszaérkezo sugárzás teljesítménye függ:

 

a) a felhoben található (a hullámhosszhoz képest elhanyagolható méretu) csapadékelemek visszaveroképességétol, a reflektivitástól. A reflektivitás arányos az impulzus által letapogatott térfogatban található visszavero részecskék koncentrációjával és méretük hatodik hatványával. Ez az arányosság akkor teljesül, ha a részecskék gömb alakúak.
A reflektivitás függ továbbá a részecskék halmazállapotától is: a jégszemek gyengébben vernek vissza, mint az esocseppek. Nagyobb jégszemekre (amelyek mérete összemérheto a hullámhosszal) már nem érvényes a hatodik hatványos arányosság, ebben ez esetben a kapcsolatot a jégméret és a visszavert sugárzás teljesítménye között egy jóval bonyolultabb összefüggés adja meg. Ezt általában úgy kezelik, hogy a nagy jégszemek koncentrációját kelloen alacsonynak feltételezik a felhokben, így a róluk történo visszaverodést elhanyagolják. Hasonlóan nem érvényes az összefüggés a hókristályokra, mivel ezek bonyolultabb alakúak, és így a visszaveroképességük attól függ, épp milyen állásban esnek a sugárnyaláb keresztmetszetébe.

b) a felhoben található csapadékelemek radartól vett távolságától (négyzetesen): minél távolabb van egy adott részecske, a visszaverodött jel annál többet gyengül, mire visszaérkezik a vevobe. 

c) a radar tulajdonságai által meghatározott paraméterektol.

 

 

Tehát a radarhoz visszaérkezo sugárzás teljesítményét a következo módon írhatjuk fel:

 

                                             

           

ahol Z a már említett csapadékelemek visszaveroképessége, más néven reflektivitása, r² a távolságfüggést leíró tag, C pedig a radar paramétereitol függo mennyiség. 

Mivel a P_r mennyiség igen széles, több mint 10 nagyságrendnyi tartományban változik, ezért célszeru a 10-es alapú logaritmusát venni, és szorozni 10-zel, ekkor könnyebben kezelheto mennyiségeket kapunk. Ezek alapján a fenti összefüggés a következoképpen módosul:

 

                                       

 

Az összefüggést célszeru kifejezni a 10logZ-re, mivel ez az a mennyiség, ami közvetlenül arányos a vizsgált régióban található csapadékelemek méreteloszlásával és független a radar tulajdonságaitól, és így alkalmas eltéro radarok méréseinek összehasonlítására. 

 

         

 

A fenti 10logZ mennyiség az általánosan ismert reflektivitás, amiket a radarképeken is megjelenítenek, mértékegysége dBZ. A letapogatott térrész reflektivitását tehát úgy kapjuk meg, hogy az onnan visszaérkezo sugárzás (ez az amit mérünk) teljesítményét korrigáljuk a térrész illetve a radar távolságával (magyarán a hozzáadással felerosítjük a távolabbi jelet, így válik a távolságtól függetlenné a reflektivitás) illetve a radar tulajdonságaitól függo paraméterekkel. 

 

2) Jellemzo reflektivitási értékek a légkörben:

- -30 és 0 dBZ között: nagyon kicsi, maximum néhányszor 10 µm-es nagyságú vízcseppeket tartalmazó, réteges vagy gomolyfelho esetén
- 0 és 10 dBZ között: már 50 µm-es átméroju vízcseppek is jelen vannak a felhoben, továbbá az esot vagy havat adó csapadék intenzitás nagyon gyenge
- 10 és 30 dBZ között: közepes intenzitású esore vagy eros havazás
- 30 és 55 dBZ között: közepes vagy eros intenzitású eso, 40 dBZ felett már zivatartevékenység is társulhat a csapadékhulláshoz
- 55 dBZ felett: a felhoben illetve csapadékzónában már jégszemek is találhatók, amihez zivatartevékenység társul

A reflektivitási értékek felso határa általában gyakorlatilag a radar kalibrációjától függ, jelenleg a magyar radarok esetében ez 70 dBZ körül van. 

 

3.3 Csapadékintenzitás mérés 

 

Ez tulajdonképpen nem közvetlenül mért mennyiség, hanem a mérésbol származtatott érték. Ha ismerjük az adott térrész reflektivitását, akkor gömb alakú részecskéket és szabályos méreteloszlást feltételezve meghatározhatjuk, hogy adott kihullási sebesség esetén egységnyi ido alatt mekkora térfogatú víz érkezik a felszínre a térrészbol. További feltétel, hogy a felho csak esocseppeket tartalmazzon. Ekkor a Z-R kapcsolat viszonylag egyszeruen felírható. Ez alapján lássunk néhány jellemzo csapadékintenzitáshoz tartozó reflektivitási értéket:

 

R(mm/óra) intenzitás	0,1	1,0	10,0	100,0
Z(dBZ) reflektivitás	7	23	39	55

 

A legkisebb, még mérheto csapadékintenzitás nagysága 0,1 mm/h. A Z-R kapcsolatot általában elég sok olyan feltétel kikötésével határozzák meg, amelyek sokszor nem reálisak, ezért az intenzitás számolása sokszor igen rossz eredményeket ad. Bonyolítja a helyzetet, ha a vízcseppek mellett jégszemek is találhatók a felhoben (ami zivataroknál gyakori eset), ekkor egyértelmu Z-R kapcsolat nem is határozható meg. Különösen konvektív csapadék esetében emiatt a csapadékintenzitás radaros becslése igen sok hibával terhelt. Ez a pontatlanság ugyanakkor polarizációs radarok alkalmazásával számottevoen javítható (lásd 3.5 pont). 

 

3.4 Doppler-féle sebességmérés

A Doppler-féle radarok olyan berendezések, amelyek két impulzust bocsátanak ki ugyanabba a térrészbe (természetesen a második kibocsátása elott megvárják az elozo visszaérkezését), ezt követoen megmérik a visszaérkezo elektromágneses hullámok közötti fáziskülönbséget. Ez a különbség a Doppler-elmélet alapján arányos a visszavero objektum radarhoz képesti sebességével (mivel az objektum a két visszasugárzás között elmozdult). Problémaként jelentkezik a mérésnél, hogy ha a visszavero test túl nagy sebességgel mozog, akkor a kapott fáziskülönbség túllépi a 2p-t, azaz nem lehet eldönteni, hogy a mért fáziskülönbség szimplán veendo vagy meghaladja a teljes periódus valamely egész számú többszörösét. Ezt a határozatlanságot úgy lehet kiküszöbölni, hogy csökkentjük a két impulzus közötti kibocsátási idot (azaz növeljük az impulzusismétlési frekvenciát), mivel ekkor a nagyobb sebességgel mozgó objektumról is a visszaérkezo sugárzások fáziskülönbsége garantáltan 2p alá fog esni. A maximális detektálható sebesség és az impulzusismétlési frekvencia között egyértelmu kapcsolat, egyenes arányosság áll fenn: minél kisebb ez a frekvencia, annál nagyobb sebességeket képes detektálni a radar. Ugyanakkor mint láttuk a 3.1-es pontban, minél kisebb az impulzusismétlés gyakorisága, annál nagyobb a mérés hatósugara. A két ellentétes hatású feltétel egyideju figyelembevétele (minél nagyobb hatósugár és maximálisan mérheto sebesség) a frekvencia kompromisszumos megválasztását teszi szükségessé. A fentiek miatt egy C-sávban operáló radar esetében, mint a hazaiak is, elvileg ez azt jelenti, hogy 150 km-es hatótávolságban a maximális érzékelheto sebesség már csak 12 m/s körüli (lásd alsó ábra!) lenne. Ugyanakkor megfelelo mérési eljárással (kettos  impulzus ismétlési frekvencia) egy 120 km-es sugarú körben a hazai radarok +-48 m/s maximális szélsebességeket képesek detektálni.

         A hatótávolság illetve maximálisan detektálható radiális sebesség alakulása az impulzus ismétlési frekvencia függvényében (C-sávú radar esetében) 

 

Ha a reflexió csapadékelemekrol történik, akkor az így kapott sebességinformáció alkalmas lehet a csapadékot produkáló képzodmény (pl. zivatar) áramlási rendszerének feltérképezésére, vagy a szupercellák mezociklonjának az azonosítására.  Ugyanakkor a 3-10 cm-es hullámhosszú sugárzás egyes esetekben a tiszta levegorol is visszaverodhet, foként olyankor, amikor a turbulens levego reflexiós mutatója hirtelen változik, ez leginkább a felszín feletti, kb. 1500 m vastag határrétegben teljesül. Tiszta idoben továbbá a kisugárzott jel visszaérkezhet a levegoben lévo (és azzal együtt mozgó) rovarokról. Ezáltal lehetoség nyílik pl. a zivatar környezetét jellemzo szélprofil eloállítására, ennek az ultrarövidtávú elorejelzésben és a kutatásban igen nagy szerepe van. 

 

3.5 Polarizációs mérések

 

A polarizációs radarok két, egymásra meroleges - vízszintes és függoleges - síkban rezgo (azaz polarizált) elektromágneses hullámot bocsátanak ki. Ekkor a radar tulajdonképpen két mennyiséget mér: az egyes síkokban a csapadékelemek reflektivitását, amelyek eltérésébol következtethetünk a részecskék alakjára. A polarizációs mérésekkel jelentosen javítható a csapadékintenzitás becslése, mivel

1) a csapadékelemek okozta hullámgyengülés (azaz reflektivitás alábecslése) korrigálható

2) lehetoség nyílik a radar abszolút kalibrációjára 

3) a túlságosan leegyszerusített Z-R kapcsolat (lásd 3.3 pont) helyett a polarizációs adatok bevonásával a valóságot jobban megközelíto formulákat írhatunk fel a csapadékintenzitás meghatározására: pl. a jégszemek okozta számítási hiba csökkentheto, reálisabb cseppméreteloszlást alkalmazhatunk az összmennyiség kalkulációjára stb. 

 

 

A polarizációs mérésekkel elviekben lehetoség nyílik a csapadék halmazállapotának megállapítására, bár ez alkalmazási terület jelenleg még a kutatási fázisban tart. 

 

A szakmai észrevételekért köszönettel tartozom Németh Péternek, az OMSZ radaros szakemberének.